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航电设备结构设计基础知识蒋玉龙苏州2017年9月8日一、航电设备结构性能的地位二、外部结构形式三、外部结构形式对比四、总体结构形式五、外部结构零件六、机箱电磁屏蔽七、结构设计流程八、结构设计常见原则目录一、航电设备结构性能的地位航电设备的特性由电路特性和结构特性两大部分组成。结构特性是电路特性在各种复杂气候和严酷环境的飞行条件下仍能可靠工作的重要保证。冲击、振动、高低温、高低气压、潮湿、砂尘、盐雾、霉菌和电磁干扰等。例子：为保证某机载计算机能承受15g冲击加速度，在结构设计时，必须从元件分布、印制电路板安装、设备外部和内部结构、安装架等方面采取措施，保证该计算机在额定加速度之下能正常工作。结论：电气性能再先进的航电设备，没有结构设计来支持，在飞行中因各种环境条件而失效，设备的先进性亦无法发挥出来。二、航电设备外部结构形式1.标准化系列化外形尺寸的重要性航电设备在最初发展阶段时，因为设备数量少，当时的设备外形尺寸大多采用“按需设计，见缝插针”的方式。随着电子技术的发展、大规模和超大规模集成电路的应用，各种功能先进的航电设备增多，“按需设计”方式的缺点和不足便暴露出来：a）航电设备制造商无法与飞机制造商同时或超前设计新飞机中的航电设备产品，必须等待飞机制造商总体设计完成后，根据分配的空间才能设计航电设备的外形尺寸。b）在有限的飞机E/E舱，要装入各种外形尺寸大小不一的设备，无法充分利用E/E舱的宝贵有效空间。c）各种不同外形的设备具有不同的电气连接、电缆走线和通风冷却系统，无法统筹兼顾，极易形成电磁干扰和散热不均。二、航电设备外部结构形式1.标准化系列化外形尺寸的重要性“按需设计”方式的缺点和不足便暴露出来：d）各种性能的航电设备采用各自的紧固连接方式，给维修和更换带来不便。e）不同设备制造商生产的功能相同的航电设备，由于外形尺寸、安装方式、电气和通风接口形式不同而无法互换使用，也无法与国际上性能相同的电子设备互换。有效解决方法之一:采用标准化系列化组装式航电设备外形尺寸来取代各种非标准化系列化的外形尺寸。二、航电设备外部结构形式2.标准化系列化外形尺寸发展进程美国和前苏联对航电设备结构外形尺寸标准化系列化的工作极为重视，很早就进行了大量的研究、试制和商品化工作。如美国从1956年开始，聚集了100多名专家、学者、制造厂商和航空公司，投入大量财力、物力，推出了各种不同历史时期的标准化、系列化航电设备的外形尺寸。二、航电设备外部结构形式2.标准化系列化外形尺寸发展进程序号代号时间特点及注释1ATR1956年ARINC公司发行404规范。“ATR”取自该公司电子设备结构设计师AustinTrumbull先生的名姓字首和Radio字首。1974年ARINC404A，增加两种规格的外形尺寸，一种是高度为3.38in的矮小型，一种为长ATR型，其余与404规范相同。由民用到军用2MCU1977年ARINC600规范。1）外形尺寸系列优先选用国际单位制；2）可选用的电子设备宽度由最窄的25.4mm（1MCU）到最宽的388.4mm（12MCU）【1ATR=8MCU】；3）设备后壁用600型矩形连接器代替ARINC404/404A规范中的DPX-2型矩形连接器。B757，B767，A310，A3203LRU1985年美军标DOD-STD-1788“航空电子设备接口设计标准”。1）可选用的航电设备宽度比ARINC600规范减少1个25.4mm，共计11档，从2LRU到12LRU，尺寸数值与ARINC600中的2MCU—12MCU完全一致；2）设备后壁安装M600型军用矩形连接器，其上最多可设置750根接插件。二、航电设备外部结构形式2.标准化系列化外形尺寸发展进程序号代号时间特点及注释4LRM80年代后期综合模块化航电系统（IMA）--B777，B787，A380，A350ARINC650《综合模块化航空电子系统封装与接口》及相关欧标LRM模块具有标准的尺寸和接口，其内建的BIT可将故障定位至LRM一级，通常带有保护外壳并支持热插拔。美国SEM-E模块（军用），欧洲ASAAC模块、VITA48模块（民用）三、航电设备外部结构形式对比1.1个ATR或8MCU的外形尺寸三、航电设备外部结构形式对比2.LRU面临环境条件及EMI危害•电磁干扰（EMI）来自飞机外部的EMI（如地面监视雷达、通信基站等）来自飞机内部其它电子设备的EMI闪电•使用环境振动、冲击温度、高度、温度和高度、温度高度与湿度盐雾、霉菌灰尘、沙粒低气压、污染物三、航电设备外部结构形式对比3.LRU与IMA机柜的比较IMA的优势：体积和重量的节省许多功能模块共享诸如电源之类的资源标准模块设计带来更统一的设备设计方法LRM比LRU更可靠三、航电设备外部结构形式对比3.LRU与IMA机柜的比较四、航电设备总体结构形式1.书页式（折叠式）总体结构整个电子设备如同一本书一样可以打开和合拢每块印制电路板固定在结构件上结构件之间用铰接相连，印制电路板间用扁电缆传送电讯号扁电缆与印制电路板用专门的连接器相连。四、航电设备总体结构形式1.书页式（折叠式）总体结构优点：1）维修印制电路板时，只需打开电子设备某块结构，不牵涉其它部位，检修和更换十分方便；2）结构件保证印制电路板双向可达性，无需拔出印制电路板即可解除元器件，避免印制电路板经常插拔而带来触点接触不良的故障；3）印制电路板与扁电缆之间的连接器采用全浮动方式固定，不会引起连接器与印制电路板之间“蹩死”故障；4）印制电路板四周与金属构件直接接触，印制电路板上发热元器件热量可迅速散出。缺点：1）对各种形式的书页式总体结构，印制电路板的数量有限制，要求使用集成度较高的电子元器件；2）印制电路板结构件需要经常打开和关闭，与印制电路板相连接的扁电缆的允许弯折次数要求较高。四、航电设备总体结构形式2.积木式（框架式）总体结构电子设备所需的每块印制电路板固定在框架上，各框架间用螺栓或其他紧固件与主体相连。较少使用。IMA系统架构下的LRM可认为是积木式与插板式的集成变种。四、航电设备总体结构形式2.积木式（框架式）总体结构优点：1）印制电路板与金属框架直接接触，能迅速传出元器件的热量；2）当需要检查维修某块印制电路板时，只需松开紧固件（如穿通螺栓），取出所需印制电路板框架即可，不必设计其它框架，维修安装方便。缺点：1）印制电路板框架两个配合侧面的平行度和厚度公差要求较高，制造工艺较负责；2）检修某块印制电路板时，要松开整机紧固件。四、航电设备总体结构形式3.插板式（插箱式）总体结构电子设备中每块印制电路板插在连接器插座内设备框架可用轻合金钣料焊接或螺栓连接而成设备框架也可采用整体压铸成形。四、航电设备总体结构形式3.插板式（插箱式）总体结构优点：结构简单，便于制造，成本低和生产周期短，容易实现电子设备标准化、系列化。缺点：检查维修设备中的任何元器件，必须打开整台设备，拔出需要检修的有关印制电路板，容易引起不必要的故障。五、航电设备外部结构零件1.前面板、手柄和前紧装置前面板：外形为长方形，材料一般选用铝镁合金LF2，材料厚度不宜超过3mm，以便能嵌入前紧定装置的拔出槽内，容易将设备从安装架上拆卸下来。1）平板式前面板：制造工艺简单、成本低廉，但没有充分利用标准规定允许的空间以增加设备的容量。2）阶梯式前面板：允许前面板上有凸出。如ARINC600规范允许凸出63.5mm，DOD-STD-1788允许凸出33mm。此凸出部分使电子设备在不违反标准规定情况下增加设备容积。五、航电设备外部结构零件1.前面板、手柄和前紧装置手柄：搬运、安装或拆卸电子设备时起主要受力构件的作用。手柄应选用高强度合金材料，一般采用捏个不锈钢Cr18Ni9等。1）固定式手柄：结构简单，制造方便，使用可靠。杠杆式锁闩装置必须采用固定式手柄。固定式手柄占用空间较大。2）活动式手柄：平时收藏在阶梯式前面板下部，不占用飞机上的空间。使用时向上拉起即可完成手柄的所用作用。活动手柄上可印制各种标识符号，可与前紧定钩制成一体，简化前紧定装置。五、航电设备外部结构零件1.前面板、手柄和前紧装置前紧装置：电子设备锁定在安装架上时，前紧定钩承受前紧定装置的锁紧力。飞行中，前紧定钩还承受电子设备冲击振动和离心作用的各种附加力，是电子设备上主要受力构件。因此材料应选用优质合金钢如30CrMSiA。1—2MCU，这只一个前紧定钩；3—12MCU，设置两个前紧定钩。五、航电设备外部结构零件2.外壳1）通风式：应允许冷却气流穿过，但应防止有异物落入外壳，通风小孔直径应小于4mm。外壳上通风小孔的分布位置应符合标准规定。2）密封式（密闭式）：利用外壳较大的散热面积将设备内部的热量迅速地与设备外部的介质进行热交换。为了增大有效的散热面积，外壳材料为板材的可冲压出各种形状的突出物，外壳采用锻铸材料制造的则可直接加工出加强筋。五、航电设备外部结构零件3.后板设备后板安装矩形电连接器直接与安装架对接，后板与安装架后支板间的间隙很小，因此在后板上不允许安装其他用途的部件而影响设备与安装架的对接。对接矩形电连接器紧固螺钉头部凸出规定不得超过2.5mm。后板最大厚度为2.5mm。安装拆卸电子设备时，后板变形挠度不得大于2.5mm。五、航电设备外部结构零件4.底板密封式（密闭式）设备底板仅起封闭作用，结构简单。通风式设备底板允许冷却气流穿过，通风小孔的分布位置应符合标准要求。六、航电设备机箱电磁屏蔽利用机箱作为屏蔽体将机载设备内部的元器件、线路、连接器等电路系统包围起来，限制机箱内部的电磁场向外扩散，干扰外部的其他设备。利用机箱作为屏蔽体将机载设备内部的元器件、线路、连接器等电路系统包围起来，限制机箱内部的电磁场向外扩散，干扰外部的其他设备。①增加缝隙的深度——使吸收损耗增加②提高结合面加工精度——整体紧密铸造和焊接的机箱③加装导电衬垫——提高屏蔽效能④在接缝处途导电涂料——使用时必须对接缝表面进行清理⑤增加接缝处的重叠尺寸⑥搭接处理——在机箱的缝隙和电不连接处做好搭接，保证缝隙两侧良好接触。七、航电设备结构设计流程开始明确设计要求及目标（来源于合同、技术规格、设计任务书等）功能模块划分确定功能模块连接关系确定结构框图（初步设计完成）1.结构初步设计明确的目标和要求是结构设计能顺利完成的前提结构总体设计任务书明确产品名称、任务来源、产品用途、设计要求（功能、外观、体积、重量、色彩、使用环境、使用平台等）确定结构框图，明确设备的组成关系七、航电设备结构设计流程2.结构详细设计1阶段—详细方案设计根据确定的结构框图完成布局设计：外观、机箱规格、安装支架及附件、是否用隔振器、模块间安装方式、材料与工艺、散热方式、电磁屏蔽与密封。详细方案设计及编制详细方案详细方案评审：组织工程经验丰富的专家进行评审，修订方案中不合理或错误的地方。确定结构框图（初步设计完成）结构总体布局设计（详细设计开始）确定MCU机箱规格确定安装支架及附件确定是否采用隔振器确定模块间的安装方式确定材料及加工工艺确定散热方式电磁屏蔽及密封设计编写结构详细设计方案方案评审结构详细绘图通过未通过确定外观方式七、航电设备结构设计流程3.结构详细设计2阶段—图纸及原理验证结构绘图：图纸绘制后进行相应分析，根据分析结果按需修订图纸；经PCB确认后后初步定稿原理样机生产：根据图纸制作原理样机原理验证：按确定的要求和标准进行验证，如合格，表明设计符合要求；不合格，找出并解决问题后再进行验证，直至合格方可结束详设文件（包括图纸）整理、归档结构详细绘图结构图纸及BOM安全性分析报告应力/强度分析-按需热分析报告-按需原理样机生产组装及功能验证ESS或其它可靠性验证DO-160摸底验证详细设计结束（图纸、BOM、分析报告、技术文档整理输出，过程验证记录存档。）不合格合格合格合格不合格不合格PCB确认OK八、航电设备结构设计常见原则1.结构布局满足低重心原则。质量大的置于设备下方，小的置上。2.耗热功率